O 引言

　　PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作（開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊），因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)（ZVS）/零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到80%~85%.20世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振（20世紀(jì)80年代中）全橋移相ZVS-PWM,恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM（上世紀(jì)80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM（20世紀(jì)90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（20世紀(jì)90年代中）等。我國已將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達(dá)93%.

　　新型微波爐電源與目前國內(nèi)所用的微波爐電源相比，效率較高，損耗較小，在當(dāng)前節(jié)能減排要求日益迫切的情況下有著其明顯的意義。ZVS高頻變換器是新型微波爐電源中的部分，其主要的原理是通過實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)使得開關(guān)損耗大為減小，提高工作頻率，達(dá)到使電源小型化，高傳輸效率的目的。對于如何設(shè)計(jì)諧振變換的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，并達(dá)到規(guī)定的輸入輸出要求，是個(gè)很重要的方面。本文介紹了一種計(jì)算諧振變換器中關(guān)鍵的諧振電容和電感的計(jì)算方法，并對電路的其他參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上做了仿真。試制出了一臺樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求。

l ZVS高頻變換器的工作原理

　　應(yīng)用于新型微波爐電源的ZVS高頻變換器的原理圖如圖1所示。采用IGBT作為開關(guān)管，其驅(qū)動信號采用固定占空比為接近0.5的互補(bǔ)信號（有一定的死區(qū)時(shí)間），電路主要由濾波電路、ZVS高頻變換器和橋式倍壓整流電路組成。濾波電路由整流橋D,平波電感Ld和濾波電容Cd1、Cd2組成，將輸入的交流變成直流。VTl,VT2為開關(guān)管，VDl、VD2分別為VTl、VT2內(nèi)置續(xù)流二極管。C1為VT1的緩沖吸收電容，C2和尺并聯(lián)組成VT2的吸收緩沖電路。由于吸收電容和開關(guān)管相并聯(lián)，它對Lr和Cr組成的諧振電路沒有很大影響，但是其兩端電壓會隨著換流過程的變化而變化，也會隨著諧振的過程進(jìn)行充電和放電路。

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　　 ZVS高頻變換器的主要工作模態(tài)如圖2所示，主要依靠電容和電感之間能量的傳遞，實(shí)現(xiàn)二極管的續(xù)流，給開關(guān)管的開通創(chuàng)造ZVS條件。

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2 具體的設(shè)計(jì)步驟

　　 由于微波爐所帶負(fù)載為磁控管，磁控管的電壓一電流特性如圖3所示，其穩(wěn)態(tài)正常工作電壓約為4 000V，當(dāng)電壓低于其正常工作電壓時(shí)，磁控管呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，電流隨電壓的變化不大，處于非振蕩區(qū)域，當(dāng)電壓高于4 000V時(shí)，磁控管呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)，電流隨電壓的變化較之前強(qiáng)烈，處于振蕩區(qū)域。

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　　在本設(shè)計(jì)中，由于磁控管可以看做是電阻負(fù)載，而很難設(shè)置符合其前后兩段的特性的負(fù)載。

　　用電阻負(fù)載模擬實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：交流輸入電壓：220V/50Hz;輸出電壓：5 200V;輸出功率：550W。

2.1 確定變換器的直流電壓增益和選取頻率

　　由于VT1和VT2互補(bǔ)導(dǎo)通，所以在開關(guān)管的集電極一發(fā)射極之間形成一方波電壓?？梢越频玫浇涣鞯刃щ娐愤M(jìn)一步可以將變壓器二次側(cè)等效為交流電阻Rac.等效電路如圖4所示。

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　　由等效電路得：直流電壓增益

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　　為了實(shí)現(xiàn)ZVS,要求諧振回路部分的阻抗呈感性，這樣才能利用二極管的續(xù)流作用，為ZVS提供條件。這樣，要求實(shí)際的頻率ω>ω0,即m>1。

　　通過MATLAB繪制不同Q值條件下G的曲線圖，如圖5所示：

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　　圖中橫坐標(biāo)為m,即實(shí)際運(yùn)行頻率和諧振頻率的比值，由圖可得，在一個(gè)固定的頻率值下，Q越小，直流增益就越大。同時(shí)也說明隨著負(fù)載的減小，直流電壓增益會變小，當(dāng)變壓器設(shè)計(jì)好以后，變比一定，負(fù)載減小，在負(fù)載側(cè)會表現(xiàn)出電壓下降。

　　在實(shí)際的電路中，設(shè)定諧振頻率為12kHz,而提高開關(guān)電源的工作頻率正是研究軟開關(guān)的主要原因。為實(shí)現(xiàn)ZVS,還必須使換流的時(shí)間小于設(shè)定的死區(qū)時(shí)間，從另一個(gè)角度來說，如果死區(qū)時(shí)間設(shè)的足夠大，也可以實(shí)現(xiàn)ZVS.現(xiàn)設(shè)定m=2.5,即實(shí)際運(yùn)行的頻率為30kHz.由圖5,取Q=0.02,這樣直流電壓增益可以近似取為l。

2.2 確定變壓器變比

　　假設(shè)交流輸入220V市電，其峰值約為310V,整流后的電壓值取為285V,因?yàn)檩敵鲭妷阂鬄? 200V,所以變壓器二次側(cè)的電壓約為2 600V.直流電壓增益取為1,所以變壓器變比N=285/2600=0.1l。

2.3 確定交流等效電阻Rac

　　橋式倍壓電路部分如圖6所示：

　　 由于微波爐所帶負(fù)載為磁控管，可以看做電阻負(fù)載，假設(shè)在理想情況下，電容足夠大并且變壓器副邊的輸入功率和負(fù)載上消耗的功率

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2.4 確定諧振電容和電感的值

　　在Q值已確定的情況下：

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3 原理電路的仿真

　　采用PSPICE作為仿真工具，運(yùn)用所設(shè)計(jì)的參數(shù)，倍壓電路的電容設(shè)的足夠大，仿真電路圖如圖7（a）所示：

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　　其中C3為VT1的吸收電容，C4和R組成VT2的緩沖吸收電路。仿真結(jié)果如圖7（b）、（c）所示，可見在這個(gè)參數(shù)下仿真的結(jié)果符合軟開關(guān)的要求。（圖中UG為驅(qū)動脈沖波形，UCE為IGBT集電極一發(fā)射極間電壓波形。）

4 樣機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　樣機(jī)采用的電路如圖8所示。M為磁控管，驅(qū)動脈沖信號的頻率為32kHz.考慮到線路的寄生參數(shù)，以及一些器件的選用，實(shí)際選用的參數(shù)有了一定的修改。按照輸入電壓和電流的要求選用了整流橋的型號，吸收電容的選取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，并在線路的調(diào)試中作了調(diào)整。濾波部分的電感和電容也是按照經(jīng)驗(yàn)值選用的。變壓器二次側(cè)的二極管要求高耐壓。確定的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的具體參數(shù)如下表：

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　　圖9（a）所示為兩開關(guān)管的驅(qū)動電壓，A為主開關(guān)管VT1的驅(qū)動波形，B為輔開關(guān)管VT2的驅(qū)動波形，死區(qū)時(shí)間大約為2μs,占空比接近0.5,兩管的驅(qū)動波形成交替互補(bǔ)關(guān)系。圖9（b）所示為主開關(guān)管（VT1）UGE和UGE兩端的波形，圖9（c）所示為輔開關(guān)管（VT2）UGE和UCE兩端的波形，從波形中可以看到，兩開關(guān)管總是在UCE為零的時(shí)候開通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了ZVS。

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　　帶磁控管工作時(shí)，磁控管采用松下公司的2M261-M32,磁控管的開啟需要一個(gè)遠(yuǎn)大于其門檻電壓的瞬時(shí)直流高壓，并且需要一段時(shí)間的預(yù)熱，輸入交流220V時(shí)，電源的輸出電壓有5 400V,在這個(gè)電壓下，磁控管預(yù)熱加速。當(dāng)磁控管開啟后，電壓下降至4 600V,并保持穩(wěn)定。圖10所示為帶磁控管工作時(shí)，磁控管工作瞬間的輸出電壓的變化。

　　綜上，所設(shè)計(jì)的新型微波爐ZVS高頻變換器可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并可以成功驅(qū)動磁控管工作。

5 結(jié)束語

　　本文研究了應(yīng)用于新型微波爐電源的ZVS高頻變換器，在簡化的等效交流電路模型下，推倒出諧振電容和電感的值，并對電路的其他部分參數(shù)做了匹配。給出了在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的波形與數(shù)據(jù)。通過樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，通過此方法匹配的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)既定的目標(biāo)。本文提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法對于拓?fù)湎嗨齐娐返膮?shù)計(jì)算有一定的借鑒和參考作用。